早期定量氣象觀測價(jià)值的再開發(fā)：從ACRE說開去

■ 賈朋群 溫康民

2019年11月4—6日，國際地球大氣環(huán)流重建（ACRE）計(jì)劃中國、東南亞和日本子計(jì)劃聯(lián)合學(xué)術(shù)研討會(huì)（以下簡稱ACRE亞洲聯(lián)合會(huì)）在武漢召開，來自三方以及英國、俄羅斯、加拿大和葡萄牙等多國學(xué)者到會(huì)，讓我們有機(jī)會(huì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)早期零散和個(gè)別的氣象觀測記錄的價(jià)值所在。

1 再分析技術(shù)和氣候變化研究，催生搶救早期氣象觀測記錄的國際合作項(xiàng)目

數(shù)據(jù)再分析（RA）技術(shù)可謂是氣象大數(shù)據(jù)的集大成的重要工具。RA常被冠以“動(dòng)力”，即主要依靠數(shù)據(jù)同化技術(shù)，才能得到全球動(dòng)力再分析的產(chǎn)品。然而，一方面，RA產(chǎn)品具有的時(shí)空連續(xù)性，在很大程度上是基于以動(dòng)力框架為引擎的數(shù)值模擬得到的；另一方面，RA分析產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的每一步，均要靠觀測數(shù)據(jù)來支撐。這也是為什么早期RA產(chǎn)品的開始時(shí)間，多在全球系統(tǒng)氣象觀測體系建立后的20世紀(jì)中葉（如1950年）。然而，隨著全球模式復(fù)雜性、完整性的持續(xù)提升以及應(yīng)用上的多種需求，RA產(chǎn)品的時(shí)間起點(diǎn)，一再被多家主要?dú)庀笾行南蚯疤?，?900年或更早時(shí)間作為RA產(chǎn)品的時(shí)間原點(diǎn)。例如，20世紀(jì)再分析項(xiàng)目版本3（20CR v3）覆蓋了1836—2015年（http://go.usa.gov/XTd）。

在氣候變化研究方面，可靠的氣象記錄覆蓋時(shí)段越長，其變化趨勢和規(guī)律就越容易解析，尤其是時(shí)間尺度較長的年代際到多年代變化。不僅如此，與資料時(shí)間的自然累計(jì)對比，前推數(shù)據(jù)不僅加快了數(shù)據(jù)時(shí)間序列長度的增加，而且前推得到的數(shù)據(jù)，例如1900年及更早的數(shù)據(jù)，較少受到人類活動(dòng)的影響，能夠更有利于解釋地球氣候的自然變化并且與人類影響的結(jié)果進(jìn)行對比。

綜上所述，人類早期利用現(xiàn)代傳感器得到的氣象觀測記錄，盡管大多在時(shí)間和空間上是零散的，但其意義彌足珍貴。正如ACRE CHINA 協(xié)調(diào)人任國玉教授所言：“ACRE CHINA的目的，就是通過對散落在圖書館、檔案部門、氣象系統(tǒng)和其他來源的1950年以前的中國及周邊區(qū)域儀器氣象觀測記錄進(jìn)行拯救、數(shù)字化和分析，從而改進(jìn)認(rèn)識(shí)東亞氣候變率和變化的觀測基礎(chǔ)?！?/p>

2 ACRE亞洲子計(jì)劃取得多項(xiàng)影響巨大的成果

ACRE計(jì)劃建立并發(fā)展了包括ACRE ARCTIC，ACRE PACIFIC，ACRE ANTARCTICA，ACRE CHINA，ACRE SOUTHEAST ASIA，ACRE JAPAN等多個(gè)子計(jì)劃，并與其他國際數(shù)據(jù)拯救計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，如ECA&D，LACA&D，WACA&D，SACA&D，MEDARE，INDARE；還與C3S數(shù)據(jù)拯救服務(wù)（C3S DRS）有很好的合作基礎(chǔ)。來自英國氣象局的Rob Allan博士作為ACRE計(jì)劃負(fù)責(zé)人，會(huì)上介紹了ACRE海洋項(xiàng)目的最新進(jìn)展，其中包括對英國國家檔案館（倫敦）和國家氣象檔案館（?？巳兀┑挠＼姾蜕檀\(yùn)輸日志清單的整理，包括了1589個(gè)商船1854—1900年的日志，1640封皇家海軍1788—1909年的日志等。1902—1903年的海洋數(shù)據(jù)，主要包括在?？巳貒覛庀髾n案保存的345個(gè)商船氣象日志里，覆蓋了北大西洋和地中海。

Rob Allan博士在會(huì)上還介紹了牛頓交叉基金項(xiàng)目歷史重大厄爾尼諾現(xiàn)象的全球影響進(jìn)展，同時(shí)介紹了英國氣象局牛頓基金會(huì)合作計(jì)劃，牛頓基金旨在發(fā)展科學(xué)和創(chuàng)新伙伴關(guān)系，以促進(jìn)發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和福利，包括CSSP-中國、CSSP-巴西、WCSSP-印度、WCSSP-東南亞、WCSSP-南非。對于如何定義重大厄爾尼諾事件進(jìn)行了解釋，闡述了CSSP /WCSSP和區(qū)域ACRE/C3S DRS對重大厄爾尼諾事件的興趣，重大厄爾尼諾現(xiàn)象的全球危害工作內(nèi)容包括觀測數(shù)據(jù)拯救（ACRE/C3S DRS 和 CSSP/WCSSP項(xiàng)目）、模型發(fā)展、重大厄爾尼諾現(xiàn)象對CSSP/WCSSP國家或地區(qū)規(guī)模的影響、即將發(fā)生重大厄爾尼諾現(xiàn)象的氣候預(yù)測、氣候預(yù)測和大厄爾尼諾現(xiàn)象的長期前景。

3 中日牽頭共同推進(jìn)東亞氣象數(shù)據(jù)重建

ACRE CHINA活動(dòng)包括兩個(gè)方面：一是中國大陸地區(qū)的早期數(shù)據(jù)發(fā)掘、拯救、數(shù)字化和分析，主要參與單位包括國家氣候中心、國家氣象信息中心、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、沈陽區(qū)域氣候中心、香港天文臺(tái)、北京氣象局信息中心、湖北省氣象信息中心、國家海洋信息中心、福建省氣候中心、中國氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所等；二是國際相關(guān)國家研究機(jī)構(gòu)，主要包括：UKMO Hadley Centre，Bristol University，German Weather Department (DWD)，Seikei University，Tokyo Metropolitan University，Hokkaido University，Singapore Management University等。

ACRE CHINA 負(fù)責(zé)人任國玉研究員介紹了過去一年中國大陸地區(qū)的主要工作進(jìn)展。例如，通過中國氣象局內(nèi)部合作公關(guān)，目前已經(jīng)完成了全國19個(gè)臺(tái)站早期氣象數(shù)據(jù)數(shù)字化工作（圖1），并提交CSSP合作方和國際ISSP數(shù)據(jù)庫。19個(gè)臺(tái)站數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的時(shí)間起點(diǎn)，有5個(gè)站在1900年或更早（哈爾濱、沈陽、武漢、北京和重慶），最早的北京始于1868年，距今150年之久。時(shí)間起點(diǎn)在1900—1930年間的也多達(dá)11個(gè)站。這些站雖然除了烏魯木齊站以外，大多分布在中國東部，但在南北方向上分布較為均勻，其在數(shù)據(jù)分析和再分析中，對于解析歐亞大陸東部特征，無疑具有重要意義。國家氣象信息中心近期還要將恢復(fù)數(shù)據(jù)的城市擴(kuò)大到近100個(gè)，其中40個(gè)已經(jīng)初步完成。要全面完成這樣的工作，由于氣象數(shù)據(jù)記載形式存在太多的變化，需更多的努力和支持才能順利完成。例如，即使得到了手工記錄的數(shù)據(jù)，由于站點(diǎn)大多經(jīng)歷多次搬遷（例如，沈陽站從1905年以來觀測站經(jīng)歷6次搬遷），數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和均一化等工作依然是巨大挑戰(zhàn)。

圖1 ACRE-中國項(xiàng)目完成早期氣象站日氣壓、溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)數(shù)字化重建的19個(gè)站分布

ACRE CHINA通過和國際同行密切合作，還獲取了一批我國最早的氣象觀測資料，改寫了中國早期氣象觀測歷史。例如，已經(jīng)獲取了由法國傳教士錢德明（Joseph Marie Amiot）1757—1762年觀測的北京每日（2次）氣象觀測記錄，并完成了數(shù)據(jù)化和初步質(zhì)量控制工作；這是迄今我國連續(xù)一年以上觀測的最早氣象記錄，觀測要素包括地面氣溫、氣壓和風(fēng)向風(fēng)力；發(fā)現(xiàn)并數(shù)字化了1698—1699年（1698年末—1699年上半年）由英國人卡寧漢姆（J. Cuningham）在廈門觀測的每日（2～3次）地表氣壓資料，這可能是中國甚至東亞地區(qū)連續(xù)1個(gè)月以上的最早觀測記錄。關(guān)于早年英國人、日本人在東北營口（牛莊）、沈陽和大連等地的觀測活動(dòng)，也獲得了新的信息。

在亞洲，尤其是東亞地區(qū)，早期利用科學(xué)傳感器氣象觀測的活動(dòng)，或多或少與西方列強(qiáng)在20世紀(jì)初及更早時(shí)期的殖民活動(dòng)相關(guān)。該地區(qū)很多早期氣象觀測，來自傳教士設(shè)立的氣象站，而與這些站的觀測活動(dòng)相關(guān)的研究和應(yīng)用等，也是這一時(shí)期現(xiàn)代科學(xué)西學(xué)東漸傳入我國的組成部分。

在ACRE JAPAN分議題會(huì)上，來自日本東京大學(xué)的學(xué)者，在會(huì)上介紹了散存于中國海關(guān)檔案中《海關(guān)醫(yī)報(bào)》中的氣象記錄。作者認(rèn)為，1870—1911年存在的《海關(guān)醫(yī)報(bào)》，記錄了中國32個(gè)地方氣象信息，報(bào)告總數(shù)達(dá)到421冊。該研究在《海關(guān)醫(yī)報(bào)》開始時(shí)間、氣象數(shù)據(jù)的記錄方式等方面，與中國學(xué)者針對19個(gè)海關(guān)城市的研究類似。從日本學(xué)者給出的32個(gè)海關(guān)氣象記錄覆蓋的時(shí)間來看，除了少數(shù)地方，大部分記錄并不是連續(xù)的，這或許與當(dāng)時(shí)海關(guān)系統(tǒng)要求并不嚴(yán)格，以及那時(shí)氣象儀器的耐用性和不同海關(guān)醫(yī)務(wù)官員的變化有關(guān)。

據(jù)來自日本的與會(huì)專家介紹，韓國和朝鮮氣象觀測網(wǎng)建立于1904年3月，主要是日本殖民者在當(dāng)?shù)亻_展的氣象觀測。這些站集中在現(xiàn)在的韓國和朝鮮南部，已確認(rèn)的氣象觀測地點(diǎn)有木浦、釜山、大邱、仁川、京城、平壤、元山等，此外還包括一些陸軍醫(yī)院。

1863—1864年下關(guān)戰(zhàn)爭期間，荷蘭海軍艦隊(duì)航海日志中記錄的氣象觀測數(shù)據(jù)，對于分析歷史時(shí)期的日本氣候具有重要價(jià)值。參會(huì)的日本專家介紹，這些資料收藏在荷蘭國家檔案館。例如，荷蘭的美杜莎號(hào)輪船航行通過日本內(nèi)海的航海日志被記錄其中，這些資料被記載在很厚的航海日志書籍中。1863年7月，在與日本的第一次沖突中，美杜莎號(hào)輪船遭到了襲擊，英國、荷蘭、法國、美國四國組成聯(lián)合艦隊(duì)共17艘軍艦聯(lián)合增援。對這些航海資料的初步處理，參會(huì)的神戶大學(xué)Togo教授指出，需要首先獲取航線和地點(diǎn)，并標(biāo)注在地圖上；其次，氣候分析與歷史事件同時(shí)進(jìn)行，最終完成這些觀測和信息的數(shù)字化。

與中日韓等殖民色彩較濃的早期主要由傳教士主持和參與的氣象觀測不同，還有一些亞洲國家因?yàn)榕c西方國家聯(lián)系較為密切，在20世紀(jì)初出現(xiàn)了基于需求的氣象觀測。在ACRE 亞洲聯(lián)合會(huì)上，與會(huì)的印度專家從茶文化談起，闡述了隱藏在印度大量私人茶園里的早期氣象記錄，其中印度東北部因?yàn)榫哂械湫偷募撅L(fēng)氣候特征，降水等觀測尤其受到重視。

4 搶救氣象數(shù)據(jù)任重而道遠(yuǎn)

最新的RA產(chǎn)品的開發(fā)過程中，包括中國在內(nèi)的亞洲各國的早期氣象數(shù)據(jù)，已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。例如，中國在20世紀(jì)初到二戰(zhàn)結(jié)束前的三類氣象觀測，即20世紀(jì)30年代中瑞西北可靠探空數(shù)據(jù)、日本占領(lǐng)區(qū)數(shù)據(jù)和早期中國站觀測數(shù)據(jù)等，已經(jīng)被美國、歐洲學(xué)者關(guān)注并通過各種數(shù)據(jù)庫渠道，成為大約始于20世紀(jì)初的數(shù)據(jù)再分析產(chǎn)品的數(shù)據(jù)支撐（圖2）。其中，中瑞西北科考數(shù)據(jù)尤其珍貴。首先，科考得到的氣象數(shù)據(jù)，包括了地面和高空，考察中利用從西方引進(jìn)的氣象風(fēng)箏，能夠獲取高空氣象數(shù)據(jù)，不僅持續(xù)時(shí)間以年計(jì)算，也是當(dāng)時(shí)歐亞大陸中部我國境內(nèi)獨(dú)有的高空氣象記錄。另外，參與觀測的是科考隊(duì)中很有經(jīng)驗(yàn)的中外氣象學(xué)者，觀測的規(guī)范性等均可以說達(dá)到當(dāng)時(shí)的領(lǐng)先水準(zhǔn)。最后，對比ARCE亞洲聯(lián)合會(huì)議，雖然3種資料中另外兩種都有較廣泛的設(shè)計(jì)，中瑞科考數(shù)據(jù)尚沒有被關(guān)注，這或許與ACRE CHINA目前更多關(guān)注地面數(shù)據(jù)有關(guān)。

如前所述，中國連續(xù)1個(gè)月以上的最早氣象儀器觀測，是1698年廈門的氣壓觀測記錄。這些最初由西方科學(xué)家和傳教士將發(fā)明不久的傳感器帶到中國，并借此開展的氣象觀測，既是西方列強(qiáng)殖民擴(kuò)張的證據(jù)，但同時(shí)也是西學(xué)東漸的一個(gè)渠道，特別是一些學(xué)者型的傳教士，更對中國早期認(rèn)知現(xiàn)代科學(xué)起到了巨大作用。今天我們審視這些氣象記錄遺產(chǎn)，其實(shí)已經(jīng)到了很緊迫的時(shí)間點(diǎn)。

圖2 歐洲學(xué)者再分析數(shù)據(jù)庫中收集的3類中國早期氣象觀測數(shù)據(jù)：1931/1932年中瑞科考、1930—1935年早期中國站和二戰(zhàn)期間日本在華建立的氣象站（來源：Br?nnimann et al., 2018）

例如，挖掘隱藏在各種檔案材料中的氣象觀測原始數(shù)據(jù)，工程量浩大。僅在中國氣象局檔案中，1951年以前的早期氣象觀測記錄，總頁數(shù)估計(jì)超過400萬頁，其中月報(bào)表的站冊數(shù)多達(dá)1443本。此外還有約330萬頁圖像。即使完成這些數(shù)據(jù)的數(shù)字化，也還僅僅是ACRE CHINA這類科學(xué)計(jì)劃的第一步，隨后的大量數(shù)據(jù)融合、質(zhì)量控制、均一化和分析等工作，任務(wù)同樣繁重。此外，需要建立很好的渠道，使寶貴的早期觀測資料在科學(xué)界得到共享，才意味著這些數(shù)據(jù)真正在研究和應(yīng)用中體現(xiàn)了其價(jià)值，而這些可以堪稱為工程的巨大工作量，需要得到國家的持續(xù)支持，才有可能逐步完成。

深入閱讀

Allan R, Brohan P, 2011. The International Atmospheric Circulation Reconstructions over the Earth (ACRE) Initiative. Bulletin of the American Meteorological Society, 92(12): 1421-1425.

Br?nnimann S, et al., 2018. Observations for reanalyses. Bulletin of the American Meteorological Society, 99(9): 1851-1866.

何溪澄, 馮穎竹, 2017. 《海關(guān)醫(yī)報(bào)》與1877—1894年廣州氣象觀測記錄. 氣象科技進(jìn)展, 7(3):71-73, 80.